• strict warning: Non-static method view::load() should not be called statically in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/views.module on line 879.
  • strict warning: Declaration of views_handler_field_user::init() should be compatible with views_handler_field::init(&$view, $options) in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/modules/user/views_handler_field_user.inc on line 48.
  • strict warning: Declaration of views_handler_argument::init() should be compatible with views_handler::init(&$view, $options) in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/handlers/views_handler_argument.inc on line 745.
  • strict warning: Non-static method view::load() should not be called statically in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/views.module on line 879.
  • strict warning: Non-static method view::load() should not be called statically in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/views.module on line 879.
  • strict warning: Non-static method view::load() should not be called statically in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/views.module on line 879.
  • strict warning: Declaration of views_handler_filter::options_validate() should be compatible with views_handler::options_validate($form, &$form_state) in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/handlers/views_handler_filter.inc on line 589.
  • strict warning: Declaration of views_handler_filter::options_submit() should be compatible with views_handler::options_submit($form, &$form_state) in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/handlers/views_handler_filter.inc on line 589.
  • strict warning: Declaration of views_handler_filter_boolean_operator::value_validate() should be compatible with views_handler_filter::value_validate($form, &$form_state) in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/handlers/views_handler_filter_boolean_operator.inc on line 149.
  • strict warning: Declaration of views_plugin_row::options_validate() should be compatible with views_plugin::options_validate(&$form, &$form_state) in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/plugins/views_plugin_row.inc on line 135.
  • strict warning: Declaration of views_plugin_row::options_submit() should be compatible with views_plugin::options_submit(&$form, &$form_state) in /export/sun1000-2/z2.ib/public_html/modules/views/plugins/views_plugin_row.inc on line 135.

BUDYNKI TYPU EARTH-SHELTERED

Budynki earth-sheltered w tłumaczeniu dosłownym oznaczają „budynki chronione ziemią”.  Budownictwo to znane jest od stuleci lecz dopiero kilkadziesiąt lat temu zostały „odkryte no nowo” i nastąpił ich renesans. Budynki te doskonale wpisują się w wymagania budownictwa zrównoważonego, na których opiera się idea budynków energooszczędnych.

Idea budownictwa zrównoważonego wymusza na architektach i projektantach patrzenie na budynek w perspektywie dłuższego okresu czasu, tj. kilkudziesięciu lat. Użytkowanie budynku jest wówczas tylko jednym z etapów cyklu życia budynku. Dotychczas budynek traktowany był jako obiekt posadowiony w otaczającym go otoczeniu, a zatem nie będący jego integralną częścią. Jednym z założeń budownictwa zrównoważonego jest takie zaprojektowanie zarówno bryły budynku i jej orientacji względem stron świata, przeszklenia elewacji jak i rozmieszczenia pomieszczeń wewnątrz, aby budynek jak w największym stopniu „wykorzystywał” znane współcześnie oddziaływania środowiska na budynek i jednocześnie stał się integralną częścią otaczającego go środowiska przy ograniczeniu zapotrzebowania budynku na energię. To wszystko przy jednoczesnym uwzględnieniu elementów wpływających na późniejsze zapotrzebowanie budynku na energię użytkową jakimi są między innymi: lokalizacja budynku, funkcja budynku, strefowanie termiczne, masa termiczna, kształt budynku i orientacja względem stron świata [2, 3, 5].

Pomimo trudności i pozornej niewykonalności tego typu założeń, doskonale spełniają je budynki częściowo zagłębione w gruncie, znane w literaturze anglojęzycznej pod nazwą „earth-sheltered buildings”. Budynek taki można opisać jako budynek o konstrukcji żelbetowej wzniesiony na poziomie terenu, którego stropodach i dwie lub trzy ściany przysypano gruntem. Trudności związane z nietypowym projektem i koniecznością analiz skomplikowanych zjawisk nie występujących w budynkach tradycyjnych, sprawiają, że często są one lepiej zaprojektowane i mądrzej zamodelowane pod kątem energooszczędności i komfortu cieplnego niż budynki tradycyjne. Na tle budynków naziemnych wyróżniają się tym, że uwzględnienie elementów środowiskowych już na etapie projektowania nie jest tu opcjonalne lecz jest koniecznością. Ponadto, budynki typu earth-sheltered poprzez właśnie przysypanie ich gruntem (tj. stropodachu i kilku ścian zewnętrznych) do tego stopnia „wtapiają” się w otaczający ich teren, że stają się jego integralną częścią [1, 6].

JAK MOŻNA ZDEFINIOWAĆ BUDYNKI TYPU EARTH-SHELTERED?

Budynki „podziemne” typu earth-sheltered można zdefiniować jako budynki o konstrukcji żelbetowej wybudowane na poziomie terenu, a następnie przysypane gruntem. Zwykle przysypuje się dwie lub trzy ściany zewnętrze oraz stropodach budynku. Budynki te można spotkać jako jedno-lub dwu-kondygnacyjne (Rys.1.).

a) budynek jednokondygnacyjny                       b) budynek dwukondygnacyjny

Rys. 1. Schematy budynków typu earth-sheltered

Przykładów na tego typu budownictwo można się doszukać na terenach m.in. Tunezji i Turcji, gdzie schronieniem dla ówczesnych ludzi były naturalnie wydrążone w skałach groty i jaskinie, lub drążone w skałach całe miasta (Rys.2).

a) Kapadocja, Turcja                                     b) Tatawin, Tunezja

  
Rys. 2. Miasta skalne: a) Kapadocja, Turcja, b) Tatawin, Tunezja

ZALETY BUDYNKÓW EARTH-SHELTERED

Ochrona środowiska naturalnego, zagospodarowanie przestrzeni
Do dużej liczby zalet tego typu budownictwa można zaliczyć między innymi duża prostota we wkomponowaniu budynku w otaczający go teren, w taki sposób aby nie naruszyć jego naturalnej rzeźby (Rys.3). Oprócz tego budynki earth-sheltered nie zabierają terenu zielonego, tak więc przyczyniają się tym samym do poprawy mikroklimatu otaczającego je środowiska.

a) schemat budynków w zabudowie tarasowej        b) schemat wykorzystania tarasów

Rys. 3. Budynki earth-sheltered: a) wzdłuż ulicy (widok na dach),
b) wykorzystanie tarasów w domku jednorodzinnym [Malcolm Wells]

Dobra izolacja akustyczna i wibracyjna
Budynki częściowo zagłębione w gruncie typu earth-sheltered z definicji osłaniają budynek przed zgubnym działaniem silnego wiatru. Zatem ustawienie budynku do wiatru stroną przysypaną gruntem ogranicza straty ciepła przez konwekcję, a również – co jest dość istotne pod kątem komfortu akustycznego – praktycznie eliminuje hałas wiatru napierającego na konstrukcję.

Ochrona przed szkodliwym wpływem środowiska zewnętrznego
Budynki typu earth-sheltered z definicji nie są narażone na działanie zewnętrznych warunków w takim stopniu jak budynki tradycyjne – naziemne. Powyższe wywody nie są niczym nowym, gdyż już XIV wieku w srogim klimacie Islandii zaczęto wykorzystywać grunt do przysypywania budynków (Rys.4.), co najbardziej oddaje współczesną definicję budynków częściowo lub całkowicie zagłębionych w gruncie. Powyższy przykład jest dowodem na to, że przy braku wiedzy dotyczącej wymiany ciepła i definicji pojemności cieplnej gruntu, współcześni tamtym czasom ludzie, intuicyjnie zaczęli wykorzystywać grunt, odcinając się od zewnętrznych warunków klimatycznych.

Rys.4. Budynek przysypany gruntem i porośnięty roślinnością, Islandia

Mniejsze koszty konserwacji
Minimalne koszty utrzymania związane są z tym, że podczas eksploatacji budynku unikamy prac remontowych na czterech elewacjach i dachu, głównie ich czyszczenia i malowania. W przypadku budynków typu „earth-sheltered” konserwacja ogranicza się jedynie do elewacji odsłoniętych (zazwyczaj jednej lub dwóch). Także użycie materiałów o dużej trwałości ogranicza potrzebę ich późniejszej konserwacji

a) Hockerton Housing Project,UK                          b) Frankton, UK

Rys.5. Przykłady budynków z eksponowaną jedną i dwiema elewacjami

Ciekawy, niekonwencjonalny projekt
Decyzja o wybudowaniu budynku typu earth-sheltered zawsze wiąże się z nietypowym, a co za tym idzie niepowtarzalnym projektem. Co w świetle „gotowych” projektów dostępnych na półkach z magazynami jest bardzo ważnym atutem, który pozwala na indywidualny, dopasowany do potrzeb użytkownika projekt (Rys.6.).

a) elewacja południowa

b) rzut parteru
Rys. 6. Dom typu earth-sheltered z eksponowaną elewacją południową, Kednal Drive, Walia, a) elewacja frontowa, b) rzut parteru [architekt: David Woods]

Mniejsze zapotrzebowanie na energię grzewczą i klimatyzacyjną
Niewątpliwie jest to największa zaleta budynków typu earth-sheltered. Jest to spowodowane bardzo dużą masą termiczną gruntu otaczającego budynek oraz samej konstrukcji budynku. Temperatura gruntu ulega coraz mniejszym wahaniom wraz ze wzrostem głębokości, a już na głębokości ok. 6 m temperatura jest praktycznie stała. Można również zauważyć, że na głębokości 0,5 m poniżej poziomu terenu wahania temperatury są zdecydowanie mniejsze niż temperatura powietrza oraz że temperatura gruntu ulega zarówno wahaniom dobowym jak i rocznym. Wahania dobowe wyraźnie zanikają poniżej tej głębokości, a przy 1 m praktycznie zanikają. W warstwach głębszych temperatura ulega wyłącznie wahaniom rocznym (Rys.7.)


Rys. 7. Przebieg temperatury powietrza zewnętrznego i temperatury gruntu na kilku głębokościach [6]

Właśnie ta cecha przyczynia się do znacznego zmniejszenia zapotrzebowania budynków przysypanych gruntem na energię grzewczą i klimatyzacyjną w porównaniu z budynkami naziemnymi. Jak wiadomo ilość energii „uciekającej” przez przegrodę zależy od współczynnika przenikania ciepła U [W/m2K] oraz od różnicy temperatur po obu stronach przegrody Δt [K, °C] i rzecz jasna czasu w jakim ma miejsce. Mniejsze straty energii przez przegrody zewnętrzne w budynku typu earth-sheltered tłumaczy wykres poniżej, na którym umieszczono roczne przebiegi temperatury na ich stropodachu i ścianie i porównano je z przebiegami temperatury na przegrodach odpowiadających im budynków naziemnych.

Z przeprowadzonych analiz dla polskich warunków klimatycznych wynika, że roczne wahania temperatury na zewnętrznej płaszczyźnie stropodachu budynku naziemnego sięgają blisko 80°C (-20°C ÷ +60°C) a temperatura ulega znacznym wahaniom zarówno dobowym jak i rocznym, podczas gdy na stropodachu budynku przysypanego gruntem wahania roczne sięgają zaledwie ok. 15°C (+3°C ÷ +18°C) a temperatura nie ulega wahaniom dobowym a jedynie słabym wahaniom rocznym. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku ściany zewnętrznej obu budynków. Jednakże tu w przypadku budynku przysypanego gruntem roczne wahania temperatury są jeszcze mniejsze  sięgają zaledwie ok. 7°C (+8°C ÷ +15°C).

Bardziej stabilna temperatura na obu płaszczyznach przegród budynków typu „earth-sheltered” skutkuje mniejszymi stratami ciepła, co ma bezpośredni wpływ na mniejsze zapotrzebowanie na energię grzewczą oraz do chłodzenia budynków. Jak wynika z przeprowadzonych symulacji własnych w warunkach polskich możliwe jest osiągnięcie blisko 50% oszczędności energii grzewczej w budynku częściowo zagłębionym w gruncie w porównaniu z typowym budynkiem naziemnym, a w przypadku oszczędności energii klimatyzacyjnej wartość ta sięga blisko 60% [6].

Często w obecnie projektowanych budynkach typu earth-sheltered stosuje się baseny wewnętrzne w celu dodatkowego zwiększenia masy termicznej całego budynku oraz wykorzystania wody jako magazynu energii. Basen zastosowano w pierwszym budynku typu earth-sheltered wybudowanym na terenie Wielkiej Brytanii w roku 1974, którego projektantem jest architekt Arthur Quarmby. Bezpośrednio nad basenem umiejscowiony jest duży świetlik, dzięki któremu promienie słoneczne są bezpośrednio akumulowane w wodzie (Rys.8).
a) widok ze strony ogrodu                                b) wnętrze budynku

Rys.8. Dom jednorodzinny„Underhill”, Wielka Brytania,
a) widok ze strony ogrodu, b) wnętrze budynku

WADY BUDYNKÓW EARTH-SHELTERED

Pomimo mniejszego zapotrzebowania na energię grzewczą i klimatyzacyjną oraz wielu innych zalet, budynki częściowo zagłębione w gruncie mają swoje ograniczenia i wady, co jest typowe dla wszelkich rozwiązań alternatywnych. Można do nich zaliczyć:

  • wyższy o ok. 20% koszt budowy,
  • skomplikowany projekt i wykonawstwo,
  • bariery psychiczne, bardziej związane z brakiem wiedzy na temat tego typu budownictwa niżeli wynikające z realnego zagrożenia,
  • brak odpowiedniej lokalizacji na wzniesienie tego typu budynku,
  • ograniczenie liczbą kondygnacji,
  • skomplikowane problemu natury fizyki budowli.

PODSUMOWANIE

Budynki częściowo zagłębione w gruncie, czyli typu earth-sheltered, doskonale wpisują się w główne założenia budownictwa zrównoważonego. Ich liczne zalety, jakimi są przede wszystkim mniejsze zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i ich chłodzenia, mniejsza ingerencja w otaczające ich środowisko, rozsądniejsze zagospodarowanie przestrzeni, dobra izolacyjność akustyczna  wibracyjna oraz mniejsze nakłady finansowe przy konserwacji i eksploatacji budynku przyczyniły się do ich dużej popularności zarówno na terenach o klimacie zimnym (kraje Skandynawskie, Wielka Brytania) czy w krajach o klimacie gorącym (Turcja, Tunezja). Szerokie możliwości adaptacyjne budynków typu earth-shletered pozwalają projektantom na przystosowanie ich do pełnienia praktycznie każdej z zamierzonych funkcji. Jednakże mimo 50% oszczędności energii grzewczej w budynku częściowo zagłębionym w gruncie w porównaniu z typowym budynkiem naziemnym, oraz blisko 60% oszczędności energii klimatyzacyjnej, budynki te wciąż z niewiadomych przyczyn nie są popularne w Polsce. A właśnie zdecydowanie mniejsze zapotrzebowanie tych budynków na energię do ogrzewania i chłodzenia budynków oraz bardzo mała ingerencja budynków w otaczające ich środowisko zewnętrzne są cechami, które powinny zachęcić projektantów i architektów w Polsce do bliższego przyjrzenia się temu rodzajowi budynków.

LITERATURA

[1] Carmody J., Sterling R., Earth Sheltered Housing Design. Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1985.
[2] Laskowski L., „Ochrona cieplna i charakterystyka energetyczna budynku”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005
[3] Mikoś J., „Budownictwo ekologiczne”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1996
[4] Neufert E., „Podręcznik projektowania architektoniczno-budowlanego”, Arkady, 2003
[5] Nowak Ł., Nowak H., Wpływ wybranych charakterystyk przegrody przeszklonej na bilans cieplny pomieszczenia biurowego, Energia i Budynek Wydanie Specjalne Nr 11(31), s. 21-25, ZAE 2009
[6] Staniec M., Analiza wpływu częściowego zagłębienia budynku w gruncie na jego bilans energetyczny. Praca doktorska, seria PRE nr 01/09, Politechnika Wrocławska, 2009
[7] Staniec M., Nowak H., Przebieg temperatury zewnętrznych powierzchni przegród budynków naziemnych i częściowo zagłębionych w gruncie, Energia i Budynek, nr 10, s. 20-25, 2009

Pracownicy: